ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Аустенитные стали широко применяются в горнодобывающей, железнодорожной и химической промышленности благодаря высокой вязкости и коррозионной стойкости. Однако их ресурс в условиях интенсивного изнашивания ограничен, что требует разработки эффективных методов поверхностного упрочнения, сохраняющих пластичность основы. Цель работы. Исследование структуры, механических и трибологических свойств покрытий на основе системы Fe-Cr-B, сформированных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки на поверхности заготовки из стали 12Х18Н9Т с последующей комбинированной обработкой (закалка и горячая прокатка). Методология. Наплавку проводили с использованием двух составов порошковых смесей с различным содержанием бора: C1QHR и C2QHR, причем содержание бора во втором составе было в два раза выше, чем в первом. После наплавки образцы подвергали закалке от 1100 °C и последующей горячей прокатке при 950 °C. Структуру исследовали на растровом электронном микроскопе, фазовый состав определяли с использованием синхротронного излучения. Механические свойства оценивали путем измерения микротвердости, трибологические характеристики – методом сухого трения скольжения по схеме «шар – плоскость». Результаты и обсуждение. Установлено, что горячая прокатка способствует выделению в аустенитной матрице субмикронных карбидов типа (Fe,Cr)₂₃C₆ и формированию карбоборидов состава (Fe,Cr)₂(C,B). Покрытие с повышенным содержанием бора (C2QHR) обладает твердостью (484 ± 20 HV), в 2,4 раза превышающей твердость стали 12Х18Н9Т. Износостойкость покрытия C2QHR в 5,3 раза выше по сравнению с износостойкостью стали 12Х18Н9Т. Основным механизмом, ответственным за повышение износостойкости покрытий, является упрочнение вторичными фазами: дисперсионное твердение за счет выделения карбидов, а также формирование боридов и карбоборидов. Выводы. Сочетание закалки и горячей прокатки слоев, полученных вневакуумной электронно-лучевой наплавкой, формирует износостойкий защитный слой на поверхности стали 12Х18Н9Т.

1. The retarding growth mechanism of boride layers on AISI 316L stainless steel: A combined experimental and DFT study / C. Hu, Y. Jiang, J. Quan, X. Zong, Y. Lu, Y. Li, S. Chen // Scripta Materialia. – 2025. – Vol. 269. – P. 116899. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2025.116899.

2. Enhancement of wear resistance and corrosion resistance of austenitic stainless steel by graphene nanoplatelets and titanium powders / J. Xu, Y. Yang, H. Han, J. Lei, R. Di, Y. Fang // Ceramics International. – 2025. – Vol. 51 (23). – P. 38152–38165. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2025.06.051.

3. Study on the process optimization and wear resistance of electron beam cladding AlCoCrFeNi coating on 253MA austenitic stainless steel surface / G. Zhao, Y. Zhang, H. Zhao, J. Li, H. Li, L. Ma // Materials Characterization. – 2023. – Vol. 205. – P. 113341. – DOI: 10.1016/j.matchar.2023.113341.

4. Veeramallu K., Krishna A.G. Enhanced wear and corrosion performance of stainless steel 316L with addition of different weight percentages of GNP // Composites Theory and Practice. – 2024. – Vol. 24 (1). – P. 25–32. – DOI: 10.62753/ctp.2024.04.1.1.

5. Achieving ultrahigh wear resistance via laser remelting-induced nano-lamellar structures in FeCrB alloy coatings / T. Wu, H. Yang, G. Xu, Y. Zhen, F. Han, Y. Zhang, Y. Liu, C. Ji, K. Wang // Surface and Coatings Technology. – 2025. – Vol. 517. – P. 132840. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2025.132840.

6. Wear behavior and the corresponding work hardening characteristics of Hadfield steel / C. Chen, B. Lv, H. Ma, D. Sun, F. Zhang // Tribology International. – 2018. – Vol. 121. – P. 389–399. – DOI: 10.1016/j.triboint.2018.01.044.

7. Röttger A., Weber S., Theisen W. Supersolidus liquid-phase sintering of ultrahigh-boron high-carbon steels for wear-protection applications // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528 (13–14). – P. 4631–4638. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.10.118.

8. Shi X., Jiang Y. Analysis of morphological, thermodynamic, and mechanical properties of typical hard phase Fe–5Cr–1.5B–0.45C alloy // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 816. – P. 152681. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152681.

9. Lentz J., Röttger A., Theisen W. Mechanism of the Fe3(B,C) and Fe23(C,B)6 solid-state transformation in the hypoeutectic region of the Fe-C-B system // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 119. – P. 80–91. – DOI: 10.1016/j.actamat.2016.08.009.

10. Röttger A., Lentz J., Theisen W. Boron-alloyed Fe–Cr–C–B tool steels — Thermodynamic calculations and experimental validation // Materials & Design. – 2015. – Vol. 88. – P. 420–429. – DOI: 10.1016/j.matdes.2015.08.157.

11. Berns H., Fischer A. Abrasive wear resistance and microstructure of Fe-Cr-C-B hard surfacing weld deposits // Wear. – 1986. – Vol. 112 (2). – P. 163–180. – DOI: 10.1016/0043-1648(86)90238-3.

12. Lentz J., Röttger A., Theisen W. Hardness and modulus of Fe2B, Fe3(C,B), and Fe23(C,B)6 borides and carboborides in the Fe-C-B system // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 135. – P. 192–202. – DOI: 10.1016/j.matchar.2017.11.012.

13. Investigations on microstructure, mechanical properties and abrasion resistance of 4wt%Cr-2wt%Mn-2wt%Cu-Fe-B alloy / Y. Yi, J. Xing, Y. Lu, H. Fu, M. Wan, L. Yu, Q. Zheng, C. Ya // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 137. – P. 222–230. – DOI: 10.1016/j.matchar.2018.01.038.

14. Acosta P., Lara A., Valenzuela R. Superplastic behavior of thermomechanically processed Fe-0.8B-1.3C-1.6Cr (wt%) alloy // Materials Letters. – 1996. – Vol. 26 (1–2). – P. 97–101. – DOI: 10.1016/0167-577X(95)00193-X.

15. Jiang Z.Q., Feng X.L., Shi J.F. Influence of heat treatment on structures and mechanical properties of Cast Fe-B-C alloy // Advanced Materials Research. – 2008. – Vol. 33–37. – P. 459–462. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.33-37.459.

16. Effect of heat treatment on microstructure and property of Fe-Cr-B alloy / H. Zhang, H. Fu, Y. Jiang, Z. Yu, H. Guo, Y. Lei, R. Zhou, Q. Cen // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. – 2012. – Vol. 43 (11). – P. 931–941. – DOI: 10.1002/mawe.201200939.

17. Tribological properties of Fe(Cr)-B alloys at high temperature / G. Cui, Z. Yang, W. Wang, G. Gao // Journal of Central South University. – 2019. – Vol. 26 (10). – P. 2643–2650. – DOI: 10.1007/s11771-019-4201-9.

18. Cui G., Wei J., Wu G. Wear behavior of Fe-Cr-B alloys under dry sliding condition // Industrial Lubrication and Tribology. – 2015. – Vol. 67 (4). – P. 336–343. – DOI: 10.1108/ILT-07-2014-0065.

19. Ni-Cr-Ti and Ni-Cr-Ti-B coatings prepared by nonvacuum electron beam cladding: Effect of boron and chromium on the microstructure, hardness and high-temperature oxidation resistance / Yu.N. Malyutina, E.A. Pukhova, A.A. Dudareva, B.B. Batyrov, D.V. Lazurenko, I.A. Bataev // Materials Today Communications. – 2025. – Vol. 43. – P. 111730. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2025.111730.

20. Structural characterization of layers fabricated by non-vacuum electron beam cladding of Ni-Cr-Si-B self-fluxing alloy with additions of niobium and boron / T.A. Zimogliadova, A.A. Bataev, D.V. Lazurenko, I.A. Bataev, V.A. Bataev, M.G. Golkovskii, H. Saage, T.S. Ogneva, A.A. Ruktuev // Materials Today Communications. – 2022. – Vol. 33. – P. 104363. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.104363.

21. Heat treatment induced structural transformations and high-temperature oxidation behavior of Al₂₁Co₂₂Cr₂₂Fe₁₃Ni₂₂ high-entropy coatings produced by non-vacuum electron beam cladding / T. Ogneva, K. Emurlaev, Y. Malyutina, E. Domarov, I. Chakin, A. Ruktuev, P. Riabinkina, A. Yurgin, I. Bataev // Metals. – 2023. – Vol. 13 (10). – P. 1689. – DOI: 10.3390/met13101689.

22. Medvedeva N.I., Van Aken D.C., Medvedeva J.E. Stability of binary and ternary M₂₃C₆ carbides from first principles // Computational Materials Science. – 2015. – Vol. 96. – P. 159–164. – DOI: 10.1016/j.commatsci.2014.09.016.

23. Effect of rare earth and titanium additions on the microstructures and properties of low carbon Fe–B cast steel / H. Fu, Q. Xiao, J. Kuang, Z. Jiang, J. Xing // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 466 (1–2). – P. 160–165. – DOI: 10.1016/j.msea.2007.02.032.

24. Macit C.K., Aksakal B., Horlu M. Enhancement on the tribological properties of 316L stainless steel via boron and alumina additions using mechanical alloying and powder metallurgy techniques // Ceramics International. – 2025. – Vol. 51 (26). – P. 51549–51572. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2025.08.378.

25. Grain boundary co-segregation of B and Ce hindering the precipitates of S31254 super austenitic stainless steel / J. Gao, J. Ma, S. Yang, Z. Guo, J. Ma, H. Li, Z. Jiang, P. Han // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 24. – P. 2653–2667. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.03.135.

26. Wear protection by Fe-B-C Hard Phases / H. Berns, A. Saltykova, A. Röttger, D. Heger // Steel Research International. – 2011. – Vol. 82 (7). – P. 786–794. – DOI: 10.1002/srin.201000255.

27. Composition-dependent brittleness and ductility of the multicomponent phase (Fe, Cr)₂₃(C, B)₆ in Fe–Cr–B–C alloys: First-principles calculations and modeling / Y. Zhou, X. Chong, Y. Lin, G. Wang, Y. Jiang // Vacuum. – 2024. – Vol. 222. – P. 113081. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2024.113081.

28. First-principle Study of the Solution Type of Boron in γ-iron / X. Li, P. Wu, S. Zhao, C. Chen, R. Yin, N. Chen // Energy Procedia. – 2012. – Vol. 16. – P. 661–666. – DOI: 10.1016/j.egypro.2012.01.107.

29. Zisman A.A., Soshina T.V., Khlusova E.I. Revealing prior austenite grains and analysis of the metadynamic recrystallization kinetics of austenite in hot rolled low carbon steel // Letters on Materials. – 2012. – Vol. 2 (1). – P. 3–8. – DOI: 10.22226/2410-3535-2012-1-3-8.

30. Разуваев Е.И., Капитаненко Д.В. Влияние термомеханической обработки на структуру и свойства аустенитных сталей // Труды ВИАМ. – 2013. – № 5. – С. 1–8.